JP2003174115A - 複合セラミック部品及びその製造方法 - Google Patents
複合セラミック部品及びその製造方法Info
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Abstract
失の小さい複合セラミック部品、特に、異種セラミック
スの密着性に優れ、信頼性及び寿命を改善した複合セラ
ミック部品と、それを簡便な方法で作製する製造方法を
提供する。 【解決手段】アルミナ質絶縁層1と、該アルミナ質絶縁
層1よりも低誘電率の低誘電率層2とが一体的に積層さ
れ、表面及び/又は内部に導体層3が形成された絶縁基
板5を備え、前記低誘電率層2がフォルステライト及び
コージェライトを主結晶相とし、副成分として、Zn、
Mn及びアルカリ土類金属のうち少なくとも1種及び/
又は非鉛・非アルカリホウ珪酸ガラスを全量中0.1〜
10質量%の割合で含み、さらに前記アルミナ質絶縁層
1と前記低誘電率層2の間に、スピネルを主結晶相とす
る中間層7が形成されていることを特徴とする。
Description
で、低誘電率の部位を有する絶縁層の表面及び/又は内
部に低抵抗の導体層を具備し、半導体パッケージ、電子
部品実装回路基板又は高周波用回路基板等に好適に使用
できる複合セラミック部品とその製造方法に関する。
化に伴い、高密度実装や回路部品内部に機能を内蔵した
配線基板が用いられている。一方で、高集積化により半
導体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の
誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出
可能な配線基板が必要とされている。一方、電気的な特
性としては、演算速度の高速化により信号の遅延が問題
となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体層を用
いることが要求されてきた。
としては、その信頼性の点から、アルミナセラミックス
を絶縁基板とし、その表面あるいは内部にWやMoなど
の高融点金属からなる導体層を被着形成したセラミック
配線基板が多用されている。
融点金属からなる導体層では、抵抗を高々8mΩ/□程
度までしか低くできず、発熱して配線基板の温度を上昇
させ、また、信号が損失し易く、配線長が制限されると
いう問題があった。
導体層と絶縁層を1500℃以下と低い温度で同時焼成
することによって導体層の低抵抗化を図ることが、特開
2000−151045号に提案されている。
の異なる絶縁層を一体化することによって、低抵抗のC
u配線を使用可能とするため、信号の高速化に対応する
ことが特開平10−106880号に提案されている。
000−151045号公報に記載の方法では、導体層
にCuを含むため、抵抗が低下するものの、絶縁層にア
ルミナを用いることから誘電率が9程度と高いため、信
号の高周波化に伴い、周波数が60GHz程度の領域で
は入力信号の反射による損失が大きくなり、伝送特性の
低下がおこるという問題があった。
記載の方法では、絶縁層がガラスセラミックスからな
り、たとえ強化ガラスを用いた場合でも高々200MP
aの曲げ強度でしかなく、また、熱伝導率が低く、放熱
性が悪いという問題があった。
波領域の信号損失の小さい複合セラミック部品、特に、
異種セラミックスの密着性に優れ、信頼性及び寿命を改
善した複合セラミック部品と、それを簡便な方法で作製
する製造方法を提供することを目的とする。
伝導のアルミナ質焼結体に対して、低誘電率材料の組成
を制御した低誘電率層を同時焼成で一体化することによ
って、入力信号の反射による損失を低減できるとの知見
に基づくものである。
との間にスピネルを主結晶相とする中間層を形成するこ
とにより、同時焼成における両者の接着強度を高めるこ
とが可能であるとの知見に基づくものである。
ルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層よりも低誘電率
の低誘電率層とが一体的に積層され、表面及び/又は内
部に導体層が形成された絶縁基板を備え、前記低誘電率
層がフォルステライト及びコージェライトを主結晶相と
し、副成分として、Zn、Mn及びアルカリ土類金属の
うち少なくとも1種及び/又は非鉛・非アルカリホウ珪
酸ガラスを全量中0.1〜10質量%の割合で含み、さ
らに前記アルミナ質絶縁層と前記低誘電率層の間に、ス
ピネルを主結晶相とする中間層が形成されていることを
特徴とするものである。
層、前記中間層と前記低誘電率層との間にそれぞれ拡散
層が含まれ、さらに前記拡散層の厚みtに対する前記中
間層の厚みdの比t/dが、0.25〜1であることが
好ましい。同時焼成を行っても、中間層とアルミナ質絶
縁層との接着強度をより高め、強度劣化を防止すること
ができる。
することが好ましい。これにより、中間層が緻密になり
やすくなり、接着強度もさらに上昇する。
を全量中20〜40質量%の割合で含むことが好まし
い。これにより、アルミナ質絶縁層との熱膨張率の差が
低減され、アルミナ質絶縁層との剥離やクラックの発生
を効果的に抑制し、低誘電率層の比誘電率を抑制してよ
り効果的に信号の損失を低減できる。
強さが350MPa以上であることが好ましい。これに
より、素子の自動実装時等に基板が割れ、歩留りが低下
することを低減できる。
化物換算で2〜15質量%、Siを酸化物換算で2〜1
5質量%、Mg、Ca、B、Nb、Cr及びCoのうち
少なくとも1種を酸化物換算で0.1〜4質量%含むと
ともに、相対密度が95%以上であることが好ましい。
これにより、アルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率を維
持することが容易となる。
体積%、W及び/又はMoを30〜90体積%の割合で
含有することが好ましい。これにより、アルミナ質絶縁
層の表面又はヴィア内に形成される導体層の抵抗を低減
することが容易となる。
方法は、フォルステライト粉末及びコージェライト粉末
に対して、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少な
くとも1種を含む酸化物粉末及び/又は非鉛・非アルカ
リホウ珪酸ガラス粉末を全量中0.1〜10質量%の割
合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グリー
ンシートとスピネル質グリーンシートとを作製し、各グ
リーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低誘電
率グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシートで前
記スピネル質グリーンシートを介在せしめて積層して積
層体を作製し、次いで該積層体を1200〜1500℃
で焼成することを特徴とするものである。これにより、
強度及び熱伝導率に優れるアルミナ質絶縁層と、低誘電
率の低誘電率層を同時に焼成することが可能であり、さ
らに基板の内部及び表面に導体層を形成することが可能
となる。また、低誘電率層とアルミナ質絶縁体層との間
に中間層を挿入するように作製、接着力の強い複合セラ
ミックスが実現できる。
ライト粉末に対して、Zn、Mn及びアルカリ土類金属
のうち少なくとも1種を含む酸化物粉末及び/又は非鉛
・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中0.1〜10
質量%の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミ
ナ質グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導
体ペーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシート
及び/又は前記アルミナ質グリーンシートの主面にスピ
ネルを主体とするペーストを塗布し、該ペーストを挟む
ように前記アルミナ質グリーンシートと前記低誘電率グ
リーンシートとを積層して積層体を作製し、次いで該積
層体を1200〜1500℃で焼成することを特徴とす
るものである。これにより、セラミック内部に3次元の
配線が可能となり、多層セラミック基板の小型化が容易
になるとともに、キャパシタやインダクタなどの機能を
内蔵することが可能となる。
みdの比t/dが、0.25〜1になるように、前記積
層体を焼成することが好ましい。これにより、拡散層を
形成し、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度をより
高め、強度劣化を防止することができる。
イト粉末を含むことが好ましい。これにより、アルミナ
質グリーンシートとの熱膨張差を整合させ、焼成時の反
りやクラックをより少なくすることができ、また、低誘
電率層の比誘電率をより小さくすることができる。
ナ質グリーンシート及び前記スピネル質グリーンシート
の積層に先立って、前記低誘電率グリーンシート、前記
アルミナ質グリーンシート、前記スピネル質グリーンシ
ートの少なくとも一方にヴィアを形成し、該ヴィア中に
導体ペーストを充填することが好ましい。これにより、
セラミック内部に3次元の配線が可能となり、多層セラ
ミック基板の小型化が容易になるとともに、キャパシタ
やインダクタ等の機能を内臓することが可能となる。
コージェライト粉末を全量中に20〜40質量%の割合
で含むことが好ましい。これにより、アルミナ質グリー
ンシートとの熱膨張率の差を整合させ、焼成時の反りや
クラックを少なくすることができる。
トが、Mn2O3を2〜15質量%、SiO2を2〜15
質量%、MgO、Mg(OH)2、MgCO3、CaO、
Ca(OH)2、CaCO3、B2O5、Nb2O5、Cr2
O3及びCo3O4のうち少なくとも1種を0.1〜4質
量%、残部がアルミナ粉末からなる混合粉末を成形して
得られるものであることが好ましい。これにより、焼結
後のアルミナ質絶縁層の強度及び熱伝導率をほぼ維持し
たまま、焼成温度を低減し、製品歩留まりを向上するこ
とが容易となる。
前記スピネルを主体とするペーストが、全重量に対しス
ピネル粉末を50質量%以上含み、さらに前記アルミナ
質グリーンシート及び/又は前記低誘電率グリーンシー
トに含まれる助剤成分のうち少なくとも1種を含むこと
が好ましい。スピネルが主体となった組成によって、焼
成後に、中間層とアルミナ質絶縁層との接着強度、中間
層と低誘電率層との接着強度をそれぞれ高めることがで
きる。
てCu粉末を10〜70体積%、W粉末及び/又はMo
粉末を30〜90体積%の割合で含むことが好ましい。
これにより、1200〜1500℃とCuの融点よりも
高い焼成温度でも低抵抗の導体層を形成することが容易
となり、また、焼成時の剥離やヴィア内の金属欠落等の
不具合をより低減できる。
図を用いて説明する。図1は、本発明の複合セラミック
部品の概略断面図である。即ち、アルミナを主体とする
焼結体であるアルミナ質絶縁層1と、アルミナ質絶縁層
1よりも誘電率の低い低誘電率層2が一体的に積層され
ている。
導体層3a及び内部導体層3bからなる導体層3とヴィ
ア4とが形成されている。
ナ質焼結体からなり、具体的には、酸化アルミニウムを
84質量%以上の割合で含み、Mnを酸化物換算で2〜
15質量%、Siを酸化物換算で2〜15質量%、M
g、Ca、B、Nb、Cr及びCoのうち少なくとも1
種を酸化物換算で0.1〜4質量%含むことが好まし
い。この組成を用いると、低温でも緻密化し、高強度且
つ高熱伝導率を維持することが容易となる。
強度を高めるため、アルミナ質絶縁層1の相対密度が9
5%以上、特に97%以上、更には98%以上が好まし
く、また曲げ強度は350MPa以上、特に400MP
a以上、更には450MPa以上であることが好まし
い。さらに、熱伝導率は10W/m・K以上、特に15
W/m・K以上、更には17W/m・K以上であること
が望ましい。
粒状または柱状の結晶として存在するが、この主結晶相
の平均結晶粒径は、1.5〜5μmであることが望まし
い。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均
結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相
の平均結晶粒径が1.5μmよりも小さいと、高熱伝導
化が難しくなる傾向があり、また平均粒径が5μmより
も大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分
な強度が得られにくくなる傾向にあるためである。
MgO、CaO、SrO等のアルカリ土類元素酸化物を
Cu含有導体との同時焼結性を高める上で合計で0.1
〜4質量%の割合で含有せしめることが望ましい。
の遷移金属を2質量%以下の割合で含んでもよい。
ージェライトを主結晶相とすることが重要である。フォ
ルステライトは、アルミナ質絶縁層1よりも低誘電率に
するために必要であり、さらにコージェライトは、アル
ミナ質絶縁層1とフォルステライトの熱膨張係数の差を
小さくし、焼成による残留応力を低減して基板の反りや
割れの発生を抑制することができる。
ライトとコージェライトとの含有量を調整して決定する
ことができ、特にコージェライトを20〜40質量%、
更には25〜35質量%であることが好ましい。
カリ土類金属のうち少なくとも1種及び/又は非鉛・非
アルカリホウ珪酸ガラスを含むことが重要である。この
副成分は、焼成時にアルミナ質グリーンシートとの反応
を促進し、アルミナ質絶縁層1との接着強度を高め、ア
ルミナ質絶縁層1と低誘電率層2との一体化を確保す
る。
ける全量中0.1〜10質量%、特に1〜8質量%、更
には3〜6質量%の割合で含まれることが好ましい。こ
れは、0.1質量%未満では添加効果が十分得られない
場合があり、また10質量%を超えると焼成時に液相が
流出してしまう傾向があるためである。
層1と低誘電率層2の間に接着強度を高めるため、中間
層7が一体的に積層されていることが重要である。
率層2との接着強度を改善するために設けられるもので
あり、スピネル質層を主結晶相とすることが重要であ
る。例えば、スピネル結晶単独でも良いが、緻密化を促
進するため、Mn、アルカリ土類金属、ホウ珪酸ガラス
等の焼結助剤を添加しても良い。
ミナ質絶縁層11と中間層17との間に拡散層18が存
在することが好ましい。拡散層18は、アルミナ質絶縁
層11を構成するアルミナ結晶相と中間層17を構成す
るスピネル結晶相とが主体となり、これらが混合された
状態となっている。
に拡散層18が存在することが好ましい。拡散層18
は、低誘電率層12の主結晶相であるフォルステライト
及びコージェライトと中間層17を構成するスピネル結
晶相及びマンガンシリケートが主体となり、これらが混
合された状態となっている。
イト又はコージェライトと反応してスピネルを形成する
が、微量であったり、部分的であったり、また比較的多
量に形成されても多孔質であるため、アルミナ質絶縁層
11と低誘電率層12との界面の接着強度が低下する
が、スピネルを主結晶とする中間層17を設けることに
より、中間層17が緻密であるため、界面の接着強度を
非常に高くすることができる。
1と中間層17との反応、またはアルミナ質絶縁層11
と低誘電率層12との反応によるが、特に副成分が反応
に関与するため、副成分が拡散し、密着力を向上すると
ともに、拡散層18は両者の結晶相が混合された状態で
あり、応力を緩和して密着性を向上するとともに、強度
劣化を防止できる。
ことが望ましい。これにより、低誘電率層2と中間層7
の密着性が高まり、接着強度を向上することが可能とな
る。ムライトの添加量は、中間層7の組成にもよるが、
上記の副成分を含む低誘電率層2の成分100質量部に
対して、1〜20質量部、特に2〜15質量部、更には
3〜10質量部であることが好ましい。
主体とするペーストが、スピネルに加えて、アルミナ質
グリーンシート及び/又は低誘電率グリーンシートに含
まれる助剤成分のうち少なくとも1種を含むことが好ま
しい。
に30〜60体積%、W及び/又はMoを30〜90体
積%、特に40〜70体積%の割合で含有することが好
ましい。このような組成を有する導体層3は、その電気
抵抗が十分低く、信号遅延を抑制するとともに、導体層
3及び/又は低誘電率層2との密着性を確保し、導体層
3の剥離が発生したり、ヴィア4の表面の凹凸が大きく
なり、更には焼成時にヴィア4の金属が欠落する不具合
を抑制することが容易になる。
に加えて、Zr、Al、Li、Mg、Znのうち少なく
とも1種を金属元素換算で0.05〜3.0質量%を含
有させることが望ましい。これにより、導体層3の低抵
抗化を容易にし、絶縁層1及び/又は低誘電率層2との
密着性をさらに高める効果がある。
において、W及び/又はMoが、平均粒径1〜10μm
の球状結晶の状態で、又は数個の粒子が焼結して結合し
た状態としてCuからなるマトリックス中に分散含有し
ている組織を有していることが、低抵抗と保形性の観点
で望ましい。特に、導体層3の抵抗、Cu成分の分離、
にじみなどの観点からW及び/またはMoの平均粒子径
は1.3〜5μm、更には1.5〜3μmの大きさで分
散されていることがより望ましい。
ては、Cuの融点を越える温度での同時焼成によって、
表面導体層3aや内部導体層3b中のCu成分が絶縁層
1及び低誘電率層2に拡散する場合があるが、本発明に
よれば、上記少なくともCuを含む導体層3の周囲の低
誘電率層2及び/又は絶縁層1へのCuの拡散距離が2
0μm以下、特に10μm以下であることが望ましい。
これにより、導体層3間の絶縁性を確保し、配線基板と
しての信頼性を高めるためである。
ク部品は、強度及び熱伝導性に優れ、高周波信号の反射
損失が小さいので、半導体パッケージ、電子部品実装回
路基板及び高周波用配線基板等に好適に用いることがで
きる。
方法について説明する。
となるアルミナ原料として、平均粒径が0.5〜2.5
μm、特に0.5〜2.0μmの粉末を用いることが望
ましい。平均粒径は0.5μmよりも小さいと、粉末の
取扱い難く、また粉末のコストが高くなる傾向があり、
2.5μmよりも大きいと、1500℃以下の温度で焼
成することが難しくなることが多いためである。
て、Mn2O3粉末を2〜15質量%、特に3〜7質量
%、SiO2粉末を2〜15質量%、特に3〜7質量%
の割合で添加する。また、適宜、MgO、Mg(OH)
2、MgCO3、CaO、Ca(OH)2、CaCO3、B
2O5、Nb2O5、Cr2O3及びCoO3のうち少なくと
も1種の粉末を0.1〜4質量%となるように加えるこ
とが好ましい。これにより、低温での焼成を可能とする
ため、緻密なアルミナ質絶縁層1が得られ、強度及び熱
伝導率をほぼ維持したまま、焼成時に導体層3及びヴィ
ア4の金属が溶融して流出することを防止し、製品歩留
まりを高め易くすることができる。
rなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分と
して金属換算で2質量%以下の割合で添加することがで
きる。
ォルステライト粉末、コージェライト粉末、さらに副成
分としてZn、Mn及びアルカリ土類金属のうち少なく
とも1種を含む酸化物粉末及び/又は非鉛・非アルカリ
ホウ珪酸ガラス粉末を全量中0.1〜10質量%の割合
で含むように添加することが重要であり、特に1〜8質
量%、更には3〜6質量%の割合で添加することが好ま
しい。
で添加することによって、焼成時にアルミナ質グリーン
シートとの反応が促進され、強固な反応層を作り、密着
性を向上することが可能となる。また、上記コージェラ
イト粉末は、焼結性を高め、焼成時の残留応力を低減さ
せるために20〜40質量%、特に25〜35質量%の
割合で加えることが好ましい。
g、Ca、Sr、Ba等の酸化物粉末であり、また非鉛
・非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を用いるのは、鉛は環
境への負担が著しく、アルカリは配線間の絶縁不良を生
じるためであり、例えばSi−Al−B−O系、Si−
B−Ca−O系、Si−Al−B−Mg−Zn−O系等
を例示できる。
の成分100質量部に対して、1〜20質量部、特に2
〜15質量部、更には3〜10質量部であることが好ま
しい。ムライト粉末を加えることによって、低誘電率層
2と中間層2との接着強度を高める効果がある。
これらの複合酸化物でフォルステライト及びコージェラ
イトを析出するような組成になるように、フォルステラ
イト粉末及びコージェライト粉末の少なくとも一部を置
換しても良い。また、上記酸化物の添加に当たっては、
酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭
酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加しても良い。
焼結体を形成するために、中間層7の主原料として、平
均粒径が0.5〜10μm、特に1.0〜5.0μmの
スピネル粉末を用いることが望ましい。平均粒径が0.
5μmよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉
末のコストが高くなる傾向があり、10μmよりも大き
いと、1500℃以下の温度で緻密な中間層7を得るの
が困難になることが多いためである。
ナ質絶縁層1の助剤成分及び/又は低誘電率層2の含有
成分、特に助剤成分を5〜50質量%、特に10〜40
質量%の割合で添加することが望ましい。このように、
アルミナ質絶縁層1や低誘電率層2に含まれる成分が中
間層7に含まれると、アルミナ質絶縁層1及び低誘電率
層2と中間層7との界面の密着性をそれぞれ高くするこ
とができる。特に、全量中5〜50質量%の割合でこれ
らの成分を添加することによって、焼成時に中間層7を
容易に緻密化する事が可能となり、さらに助剤成分をア
ルミナ質絶縁層1及び/又は低誘電率層2と近い組成に
する事により、これらのグリーンシートとの密着性をさ
らに高めることが可能となる。
絶縁層1及び低誘電率層2を形成するためのシート状成
形体を、それぞれアルミナ質グリーンシート及び低誘電
率グリーンシートとして作製する。シート状成形体は、
周知の成形方法によって作製することができる。例え
ば、上記の混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加して
スラリーを調製した後、ドクターブレード法によって形
成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成
形、圧延成形、押出し成形等により所定の厚みのシート
状成形体を作製できる。そしてこのシート状成形体に対
して、マイクロドリル、レーザー等によりヴィア導体用
スルーホールを形成しても良い。
対して、導体成分として、平均粒径が1〜10μmのC
u粉末を10〜70体積%、特に30〜60体積%、平
均粒径が1〜10μmのW粉末及び/またはMo粉末を
30〜90体積%、特に40〜70体積%の割合で含有
し、且つ所望によりZr、Al、Li、Mg及びZnの
うち少なくとも1種を金属元素換算で0.05〜3体積
%、特に0.2〜2体積%含有してなる導体ペーストを
調製する。
抵抗が高くなり易く、また、70体積%よりも多いと、
アルミナ質絶縁層1、低誘電率層2、中間層7及び導体
層3の同時焼成において保形性を維持し難くなって、に
じみや断線が発生しやすい。また、アルミナ質絶縁層
1、低誘電率層2及び中間層7等から導体層3の剥離が
発生し、ヴィア4内部の金属が欠落する等の不具合が生
じやすい。
に施したヴィア4内に充填し、また、各シート状成形体
表面に塗布する。なお、導体層3を形成する際は、上記
導体ペーストを絶縁層1、低誘電率層2又は中間層7に
対して、スクリーン印刷、グラビア印刷などの方法によ
り印刷塗布する。
の密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶
縁層1を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成
物粉末を0.05〜2体積%の割合で添加することも可
能である。
ィア4に有するシート状成形体を位置合わせして積層圧
着する。この時、アルミナ質グリーンシート(A)と低
誘電率グリーンシート(D)の間にスピネル質グリーン
シート(S)をスピネル質組成物として介在させる。こ
の中間層は、上記のスピネル質組成物を用いて厚さ50
〜100μm程度のシート状成形体から作製し、これを
アルミナ質グリーンシートと誘電体用グリーンシート2
との間に挿入し、積層する。例えば、グリーンシートを
D、S、A、S、D、S、A、A、Aの順に重ねて積層
する。
わりに、スピネル組成物として中間層用ペーストを用い
ても良い。この中間層用ペーストをアルミナ質グリーン
シート1及び/又は誘電率グリーンシート2の表面に塗
布し、上述したように積層すれば良い。
作成することが出来る。例えば、スピネル粉末及び助剤
粉末の混合粉末に有機バインダーや溶剤を添加してスラ
リーを調整し、その後に溶剤を蒸発させたり、または混
合粉末に有機バインダーを添加した後、攪拌脱泡器を用
いて適当な時間混合し、ペーストを作製する。
ビア印刷法などの方法によりアルミナ質グリーンシート
及び/又は低誘電率グリーンシートの上に印刷塗布す
る。その際、グリーンシートに形成されたヴィア4の形
状を維持するため、ヴィア4には塗布を行わないように
すれば良い。次いで、導体ペーストを表面及び/又はヴ
ィア4に有するシート状成形体を位置合わせして積層圧
着し、積層体を作製する。
ーストは、含有する粉末の合計量に対し、スピネル粉末
を50質量%以上含み、さらに前記アルミナ質グリーン
シートと前記低誘電率グリーンシートの助剤成分のうち
少なくとも1種を含むことが好ましい。スピネルが主体
となった組成により、中間層とアルミナ質絶縁層との接
着強度及び中間層と低誘電率層との接着強度をそれぞれ
高めることができる。
500℃の温度となる条件で焼成することが重要で、特
に、1225〜1450℃、更には1250〜1400
℃、より好適には1275〜1350℃で焼成すること
が好ましい。
アルミナ質絶縁層1が相対密度95%まで達することが
できず、熱伝導性と強度が低下するとともに、低誘電率
層2も十分に緻密化することができない。一方、焼成温
度が1500℃よりも高いと、WあるいはMo自体の焼
結が進み、Cuの流動により導体層3の均一組織を維持
することが困難となり、その結果、低抵抗を維持するこ
とができない。
みdの比t/dが、0.25〜1になるように焼成する
ことが好ましい。拡散層の厚みを充分に確保すると共
に、中間層がアルミナ質絶縁層又は低誘電率層に拡散し
すぎることによる接合強度の低下を防止することができ
る。なお、焼成温度は、拡散層の形成及びその比t/d
の制御の容易さから、特に1250〜1400℃に設定
することが望ましい。
は、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であるこ
とが望ましいが、特に、導体層3中のCuの拡散を抑制
する上では、水素及び窒素を含み露点+30℃以下、特
に0〜25℃の非酸化性雰囲気であることが望ましい。
焼成時の露点が+30℃より高いと、焼成中に導体材料
と雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、アルミナ
質絶縁層1とCu含有導体のCuが反応してしまい、導
体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、Cuの拡散を助
長してしまうためである。なお、焼成雰囲気には所望に
より、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。
ミック部品の製造方法は、アルミナ質絶縁層1、低誘電
率層2及び電気抵抗の小さな導体層3を同時焼成するこ
とができ、この方法によって、信号の損失が少なく、高
強度且つ高熱伝導性絶縁基板を備えた複合セラミック部
品を実現できる。
アルミナ質絶縁層1と低誘電率層2との接着強度を著し
く高めることができる。
μmのアルミナ粉末、平均粒径が4μmのMn2O3粉
末、平均粒径が1μmのSiO2粉末、平均粒径が2μ
mのMgO粉末及びCaO粉末、B2O5粉末、Nb2O5
粉末、Cr2O3粉末及びCoO3粉末を、表1、3のよ
うな組成に調合し、成形用有機樹脂(バインダー)とし
てアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合
してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて厚
さ250μmのシート状に成形し、絶縁層用グリーンシ
ートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が1
00〜200μmのヴィアを形成した。
ォルステライト粉末、平均粒径が2.2μmのコージェ
ライト粉末、平均粒径が4μmのZn2SiO4粉末及び
Mn 2O3粉末、平均粒径が2μmのCaO粉末、MgO
粉末及びBaO粉末及び平均粒径が1.7μmの非鉛・
非アルカリホウ珪酸ガラス粉末を、表1のような組成に
調合し、さらにこれらの合計100質量部に対して、平
均粒径が2.5μmのムライト粉末を表1に示す量だけ
加え、成形用有機樹脂(バインダー)としてアクリル系
バインダーと、トルエンを溶媒として混合してスラリー
を調製した。これらのスラリーをドクターブレード法に
て厚さ250μmのシート状に成形し、低誘電率グリー
ンシートを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径
が100〜200μmのヴィアを形成した。
(S)及びペースト(P)塗布により形成した。スピネ
ル質グリーンシートとして、平均粒径0.98μmのス
ピネル粉末、上記のアルミナ質絶縁層及び/又は前記低
誘電率層の助剤成分を表1のような組成に調合し、成形
用有機樹脂(バインダー)としてアクリル系バインダー
と、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製し
た。これらのスラリーをドクターブレード法にて厚さ2
50μmのシート状に成形し、スピネル質グリーンシー
トを得た。そして、所定箇所に焼成後のホール径が10
0〜200μmのヴィアを形成した。
ピネル粉末、上記のアルミナ質絶縁層及び/又は上記の
低誘電率層の助剤成分を表1、3のような組成に調合
し、アクリル系バインダーと、アセトンを溶媒として混
合してペーストを作製した。
均粒径が5μmのW粉末又はMo粉末とを表1、3に示
す比率で混合し、アクリル系バインダーとをアセトンを
溶媒として導体ペーストを作製した。
ストを印刷塗布し、各シート状成形体のヴィアに上記導
体ペーストを充填した。上記のようにして作製した各シ
ート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層
体を作製した。
ルミナ質グリーンシート及び/又は低誘電率グリーンシ
ートの表面に中間層用ペーストを周知の方法により塗布
した後、各シート状成形体を位置合わせして積層圧着し
て成形体積層体を作製した。
を含まない酸素含有雰囲気中で脱脂を行った後、表1に
示す焼成温度、25℃の露点の窒素水素混合雰囲気にて
焼成して図1のような複合セラミック部品を作製した。
よって測定し、真比重から相対密度を算出した。また、
作製した複合セラミック部品全体の反り、割れを確認
し、配線・ヴィアの外観の確認を行った。
て空洞共振器法により測定周波数60GHzで比誘電率
を測定した。また、アルミナ質絶縁層の曲げ強度は、J
ISR1601に基づいて室温における3点曲げ強度を
測定した。
査型電子顕微鏡を用いて中間層の厚み(d)及び拡散層
の厚み(t)を測定し、比t/dを算出した。
とウエハープローブを用いて60GHzの信号に対する
反射損失を測定した。詳細にはセラミック部品を実装す
る基板とセラミック部品内に設けた測定用電極間の値を
測定した。結果を表1〜4に示した。
14、16〜18及び20〜60は、配線・ヴィアの外
観、基板の反り、割れが無く、反射損失も−12.5d
B以下であった。
範囲外の試料No.4は、緻密な低誘電率層が得られ
ず、また、基板の割れが見られた。
の範囲外の試料No.7、15及び19は、いずれも配
線の断線が見られた。 実施例2 実施例1における試料No.47の組成を用いて、中間
層のある複合セラミック部品と、中間層の無い複合セラ
ミック部品を作製し、ヒートサイクル試験を行った。な
お、中間層の無い複合セラミック部品の低誘電率層には
ムライトは添加しなかった。
を100回毎にアルミナ質絶縁層と低誘電率層の間にク
ラックがあるかどうかを観察し、1000回まで繰り返
した。
品では、500回でクラックが観察されたが、中間層の
ある複合セラミック部品では、1000回でもクラック
は発生しなかった。
低誘電率の低誘電率層とを一体的に積層し、表面及び/
又は内部に導体層が形成された絶縁基板を備えた構造を
有し、低誘電率層の組成を制御したことにより、高周波
領域に対応できる高強度、高熱伝導、低抵抗導体配線の
複合セラミック部品を実現した。
誘電率層の間に中間層及び/又は拡散層を具備すること
より、アルミナ質絶縁層と低誘電率層の接着強度が向上
し、信頼性及び寿命を改善することができる。
す概略断面図である。
略断面図である。
Claims (17)
- 【請求項1】アルミナ質絶縁層と、該アルミナ質絶縁層
よりも低誘電率の低誘電率層とが一体的に積層され、表
面及び/又は内部に導体層が形成された絶縁基板を備
え、前記低誘電率層がフォルステライト及びコージェラ
イトを主結晶相とし、副成分として、Zn、Mn及びア
ルカリ土類金属のうち少なくとも1種及び/又は非鉛・
非アルカリホウ珪酸ガラスを全量中0.1〜10質量%
の割合で含み、さらに前記アルミナ質絶縁層と前記低誘
電率層の間に、スピネルを主結晶相とする中間層が形成
されていることを特徴とする複合セラミック部品。 - 【請求項2】前記中間層と前記アルミナ質絶縁層、前記
中間層と前記低誘電率層との間にそれぞれ拡散層が含ま
れることを特徴とする請求項1に記載の複合セラミック
部品。 - 【請求項3】前記拡散層の厚みtに対する前記中間層の
厚みdの比t/dが、0.25〜1であることを特徴と
する請求項1または請求項2に記載の複合セラミック部
品。 - 【請求項4】前記低誘電率層が、ムライト結晶相を含有
することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載
の複合セラミック部品。 - 【請求項5】前記低誘電率層が、コージェライトを全量
中20〜40質量%の割合で含むことを特徴とする請求
項1乃至4のいずれかに記載の複合セラミック部品。 - 【請求項6】前記アルミナ質絶縁層の3点曲げ強さが3
50MPa以上であることを特徴とする請求項1乃至5
のいずれかに記載の複合セラミック部品。 - 【請求項7】前記アルミナ質絶縁層が、Mnを酸化物換
算で2〜15質量%、Siを酸化物換算で2〜15質量
%、Mg、Ca、B、Nb、Cr及びCoのうち少なく
とも1種を酸化物換算で0.1〜4質量%含むととも
に、相対密度が95%以上であることを特徴とする請求
項1乃至6のいずれかに記載の複合セラミック部品。 - 【請求項8】前記導体層が、Cuを10〜70体積%、
W及び/又はMoを30〜90体積%の割合で含有する
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の複
合セラミック部品。 - 【請求項9】フォルステライト粉末及びコージェライト
粉末に対して、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のうち
少なくとも1種を含む酸化物粉末及び/又は非鉛・非ア
ルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中0.1〜10質量%
の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質グ
リーンシートとスピネル質グリーンシートとを作製し、
各グリーンシートに導体ペーストを塗布した後、前記低
誘電率グリーンシートと前記アルミナ質グリーンシート
で前記スピネル質グリーンシートを介在せしめて積層し
て積層体を作製し、次いで該積層体を1200〜150
0℃で焼成することを特徴とする複合セラミック部品の
製造方法。 - 【請求項10】フォルステライト粉末及びコージェライ
ト粉末に対して、Zn、Mn及びアルカリ土類金属のう
ち少なくとも1種を含む酸化物粉末及び/又は非鉛・非
アルカリホウ珪酸ガラス粉末を全量中0.1〜10質量
%の割合で含む低誘電率グリーンシートと、アルミナ質
グリーンシートとを作製し、各グリーンシートに導体ペ
ーストを塗布した後、前記低誘電率グリーンシート及び
/又は前記アルミナ質グリーンシートの主面にスピネル
を主体とするペーストを塗布し、該ペーストを挟むよう
に前記アルミナ質グリーンシートと前記低誘電率グリー
ンシートとを積層して積層体を作製し、次いで該積層体
を1200〜1500℃で焼成することを特徴とする複
合セラミック部品の製造方法。 - 【請求項11】拡散層の厚みtに対する中間層の厚みd
の比t/dが、0.25〜1になるように、前記積層体
を焼成することを特徴とする請求項9または請求項10
記載の複合セラミック部品の製造方法。 - 【請求項12】前記低誘電率グリーンシートにムライト
粉末を含むことを特徴とする請求項9乃至11のいずれ
かに記載の複合セラミック部品の製造方法。 - 【請求項13】前記低誘電率グリーンシート、前記アル
ミナ質グリーンシート及び前記スピネル質グリーンシー
トの積層に先立って、前記低誘電率グリーンシート、前
記アルミナ質グリーンシート、前記スピネル質グリーン
シートの少なくとも一方にヴィアを形成し、該ヴィア中
に導体ペーストを充填することを特徴とする請求項9乃
至12のいずれかに記載の複合セラミック部品の製造方
法。 - 【請求項14】前記低誘電率グリーンシートが、コージ
ェライト粉末を全量中に20〜40質量%の割合で含む
ことを特徴とする請求項9乃至13のいずれかに記載の
複合セラミック部品の製造方法。 - 【請求項15】前記アルミナ質グリーンシートが、Mn
2O3を2〜15質量%、SiO2を2〜15質量%、M
gO、Mg(OH)2、MgCO3、CaO、Ca(O
H)2、CaCO3、B2O5、Nb2O5、Cr2O3及びC
o3O4のうち少なくとも1種を0.1〜4質量%、残部
がアルミナ粉末からなる混合粉末を成形して得られるも
のであることを特徴とする請求項9乃至14のいずれか
に記載の複合セラミック部品の製造方法。 - 【請求項16】前記スピネル質グリーンシート又は前記
スピネルを主体とするペーストが、全重量に対しスピネ
ル粉末を50質量%以上含み、さらに前記アルミナ質グ
リーンシート及び/又は前記低誘電率グリーンシートに
含まれる助剤成分のうち少なくとも1種を含むことを特
徴とする請求項9乃至15のいずれかに記載の複合セラ
ミック部品の製造方法。 - 【請求項17】前記導体ペーストが、金属成分としてC
u粉末を10〜70体積%、W粉末及び/又はMo粉末
を30〜90体積%の割合で含むことを特徴とする請求
項9乃至16のうちいずれかに記載の複合セラミック部
品の製造方法。
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